5 Minuten
Ledas, kuris kuria elektrą: netikėta elektromechaninė savybė
Ledas yra vienas dažniausiai pasitaikančių Žemės medžiagų, dengiantis poliarines zonas, kalnų ledynus ir sezoninius sniego sluoksnius. Nepaisant pažįstamumo, nauji eksperimentiniai tyrimai rodo, kad įprastas kristalinis ledas gali sukurti matomą elektros krūvį, kai jis mechaniškai lenkiamas arba nevienodai deformuojamas. Šis elektromechaninis atsakas, vadinamas flexoelektriškumu (flexoelectricity), neseniai buvo parodytas tarptautinės tyrėjų grupės ir gali turėti įtakos atmosferos elektros reiškiniams bei ateities įrenginiams šaltose aplinkose.
Mokslinis fonas: flexoelektriškumas ir feroelektriškumas lede
Flexoelektriškumas yra tam tikrų medžiagų savybė, kai jos įgauna elektrinę polarizaciją esant netolygioms mechaninėms įtempių gradiento sąlygoms — pavyzdžiui, kai medžiaga lenkiama, o ne tolygiai suspaudžiama. Skirtingai nei piezoelektriškumas (krūvio generavimas veikiant tolygioms deformacijoms), flexoelektriškumas priklauso nuo įtempių gradientų. Iki šiol įprastas šešiakampis ledas (Ice Ih), dažniausiai randamas Žemėje, nebuvo plačiai pripažintas kaip flexoelektriška medžiaga.
Naujame darbe, derinant eksperimentus ir išsamią analizę, aprašomi du atskiri elektromechaniniai reiškiniai lede. Pirma, flexoelektrinis krūvis atsiranda plačiame temperatūrų diapazone iki 0 °C, taigi lenkimas ar nevienoda deformacija gali sukelti elektrinį potencialą kasdieniame lede. Antra, labai žemose temperatūrose (žemiau maždaug −113 °C arba 160 K) tyrėjai aptiko ploną feroelektrinį paviršinį sluoksnį. Feroelektriškumas reiškia spontaninę, perjungiamą elektrinę polarizaciją, panašią į magnetinį poliškumą, kurią galima apversti taikant išorinį elektrinį lauką. Kartu šie radiniai rodo, kad ledas gali generuoti elektrinius signalus dviem mechanizmais priklausomai nuo temperatūros: paviršine feroelektriškumu kriogeninėse sąlygose ir tūrio flexoelektriškumu aukštesnėse subnulinių temperatūrų srityse.
Eksperimento ypatumai ir pagrindiniai rezultatai
Tyrėjų komanda — įskaitant mokslininkus iš Katalonijoje veikiančio ICN2 prie Universitat Autònoma de Barcelona, Xi’an Jiaotong University ir Stony Brook University — matavo elektrinius potencialus, susidarančius, kai ledo plokštės arba dalelės buvo lenkiamos ar švelniai deformuojamos. Tipiniame laboratoriniame eksperimentiniame įrenginyje ledo blokas, padėtas tarp laidžių plokščių, buvo mechaninis veikiamas, o fiksuota įtampa buvo užfiksuota. Išmatuoti potencialai atitiko anksčiau debesų dalelių susidūrimų eksperimentuose stebėtas paraštes, stiprindami ryšį tarp laboratorinio masto flexoelektriškumo ir atmosferinės krūvių atskirties.
Pagrindiniai tyrėjai pranešė, kad flexoelektrinis krūvis pasirodė visuose ištirtuose temperatūros taškuose, o feroelektrinis paviršinis sluoksnis atsiranda tik žemiau maždaug 160 K. Tokis kombinuotas elgesys priskiria ledą kartu su elektrokeraminėmis medžiagomis (pvz., tam tikrais titanato junginiais), kurios naudojamos jutikliuose, aktyvatoriuose ir kondensatoriuose, nors praktiškas ledo panaudojimas būtų ribotas natūraliai šaltose vietose arba projektuojamose kriogeninėse sistemose.
Reikšmė audroms ir žaibams
Viena iš patrauklių šio atradimo pasekmių — galimas indėlis į krūvių generavimą perkūnijos debesyse. Žaibas kyla dėl didelio masto elektrinių potencialų, susidarančių, kai debesų dalelės — dažnai ledo kristalai ir krušos granulės (graupelis) — keičiasi krūviu susidūrimų metu. Kadangi įprastas ledas nėra piezoelektriškas, mokslininkai ieškojo alternatyvių užkrovimo mechanizmų. Flexoelektriškumas siūlo tikėtiną kelią: netolygūs deformavimai ir ledo dalelių lenkimas susidūrimų ar aerodinamikos sąveikų metu gali generuoti bendrąjį krūvį, kuris kaupiasi skirtingose debesų zonose ir taip prisideda prie didelių įtampų susidarymo prieš žaibą.
Pasekmės, galimos taikymo sritys ir tolimesni žingsniai
Nors tiesioginės technologinės programos kol kas lieka spekuliatyvios, flexoelektriškumo ir paviršinio feroelektriškumo nustatymas lede atveria naujas tyrimų kryptis. Galimi tyrimų keliai apima:
- Tyrinėti flexoelektrinio užkrovimo indėlį į tikrą audrų elektrifikaciją naudojant debesų mikrofizikos modelius ir lauko matavimus.
- Tyrinėti jutiklius ar trumpalaikius elektroninius elementus, naudojant ledo elektromechaninę reakciją stebėjimui poliarinėse ar kriogeninėse aplinkose.
- Tirti, kaip priemaišos, kristalų ribos ir temperatūros gradientai veikia flexoelektrinio krūvio dydį ir ženklą natūraliame sniege ir lede.
Tyrėjai pabrėžia, kad praktinių įrenginių konstravimas iš ledo reikalautų kontroliuojamų šaltų sąlygų, tačiau pažymi, jog pagrindiniai mechanizmai praplečia medžiagų spektrą, galintį vykdyti elektromechaninę funkciją.
Ekspertų komentaras
Dr. Elena Márquez, fiktyvi atmosferos fizikė, turinti debesų elektrifikacijos patirties, komentuoja: "Tai elegantiškas įrodymas, kad tokia įprasta medžiaga kaip ledas gali elgtis netikėtais būdais. Flexoelektriškumas suteikia fizikinį ir mikrofizikinį mechanizmą krūvių generavimui debesyse; kitas žingsnis — kiekybiškai įvertinti jo indėlį realiomis audros sąlygomis. Jei flexoelektrinis užkrovimas bus reikšmingas, tai patikslintų mūsų žaibo iniciacijos modelius ir galėtų pagerinti rizikos prognozes."
Išvados
Atrankis, kad įprastas ledas rodo flexoelektriškumą ir palaiko feroelektrinį paviršinį sluoksnį labai žemose temperatūrose, peržiūri mūsų supratimą apie ledą kaip elektromechaninę medžiagą. Šie rezultatai atskleidžia galimą mechanizmą, prisidedantį prie žaibo susidarymo, ir skatina tolesnius tyrimus atmosferos elektros ir šaltoms aplinkoms skirtos elektronikos srityse. Parodydami, kad ledas gali generuoti elektros krūvį lenkiant ir dėl paviršinio polarizacijos, tyrimas sieja pagrindinę kietosios fazės fiziką su gamtiniais ir galbūt technologiniais reiškiniais.
Quelle: scitechdaily
Kommentar hinterlassen